一种大型复杂曲面测量系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种大型复杂曲面测量系统，该测量系统包括底座、水平支架、俯仰支架及计算机；水平支架设置在底座上，俯仰支架与水平支架连接，在俯仰支架上设置有相机、激光测距仪和线激光发射器，在激光测距仪的两侧设置两台所述的相机，计算机分别与相机、激光测距仪、线激光发射器电连接。利用该测量系统通过点激光定位、线激光采样、相机获取图像数据的方式进行，通过摄影方式获取图像，再利用摄影测量原理计算像点的实际坐标，最后通过数据拼接在同一坐标系下进行复杂曲面的数据重建，该测量系统及采样方法在保证精度的情况下，简化了测量过程，减少了测量次数，大大提高了测量效率。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种大型复杂曲面测量系统，尤其是涉及一种摄影测量技术与激光技术相结合获取大型复杂曲面规则三维点阵的测量系统。
技术介绍
随着全球经济的发展，市场竞争日趋激烈，新的技术革命不断取得进展和突破，技术的飞跃发展已经成为推动世界经济增长的重要因素。为了保持和加强产品在市场上的竞争力，产品的开发周期、生产周期越来越短，促使工业产品越来越向多品种、小批量、高质量、低成本的方向发展，具有复杂曲面的产品越来越多，广泛应用于模具、工具、能源、交通、航空航天、航海等领域。复杂曲面的复杂性主要体现在：其一，许多边缘学科、高科技产品领域对产品涉及的曲面造型有很高的精度要求，以达到某些数学特征的高精度为目的；其二，现代社会中，人们在注重产品功能的同时，对产品的外观造型提出了越来越高的要求，以追求美学效果或功能要求为目的。因此对曲面重建的研究也越来越多，逆向工程以先进产品设备的实物等作为研究对象，应用现代设计方法学原理、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统地分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品。逆向工程的关键技术主要包括三个方面，即曲面数字化测量技术、曲面重构技术和曲面加工技术。数字化测量技术就是利用各种数字化测量手段获取原有实物(产品原型或油泥模型)的三维数字模型。逆向工程中复杂曲面实体的测量方法主要有接触式测量法(如三坐标测量法)和非接触测量法(如激光三角形法、距离法、断层图像扫描法、摄影测量法等)两种。三坐标测量法利用三坐标测量机(CMM)的探测触头(各种不同直径和形状的探针)逐点地捕捉样件的表面数据。该方法对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的零件该测量方法非常有效。但由于该方法是接触式测量，易于损伤探头和划伤被测样件表面，不能对软质材料和超薄型物体进行测量，对细微部分测量精度也受到影响，应用范围受到限制；始终需要人工干预，不可能实现全自动测量；由于测头的半径而存在三维补偿问题；且价格较高，对使用环境有一定要求；测量速度慢，效率低。激光三角法根据光学三角形原理，将激光投射到被测物体表面，采用点阵布置的光电敏感元件在另一位置接受激光的成像位置，根据光点或光条在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距之间的关系计算物体的深度信息。其测量速度快，可直接测量不可接触的高精度工件、软工件等，但是测量精度取决于感光设备的分辨率和被测表面的光学特性。距离法是利用光线飞行的时间来计算距离，常采用激光和脉冲光束。可以测量大型物体，但是其测速慢、工作量大，测量相当困难。断层扫描图像法通过对被测物体进行断层界面扫描，以X射线的衰减系数为依据，重构断层截面图像，根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测量，但其造价高，测量系统的分辨率低，获取数据时间长，设备体积大，对运行的环境要求高。相比之下，摄影测量法根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个(或多个)摄像机拍摄的图像中的视差，以及摄像机之间的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。摄影测量法可以对处于两个(或多个)摄像机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置，是一种非破坏性测量，适于测量大型复杂曲面物体。但其存在的最大问题是空间特征点在多幅数字图像中提取与匹配的精度与准确性等问题。此外按照该种方法获得的图像数据，经过处理提取后得到的点云数据达数兆或者数十兆，点之间没有拓扑关系，为了满足曲面重建的需要，这些点阵数据一般需要经过预处理，主要包括：多视拼合、去除噪音点、数据插补、孔洞修补、数据简化、平滑和光顺等。经过预处理的点阵数据，方可用于重构曲面模型。由于点阵数据预处理过程十分繁杂，稳定性较差，难以保证重构曲面的精度与效率要求。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术提供一种大型复杂曲面测量系统。本技术的技术方案如下：一种大型复杂曲面测量系统，包括底座、水平支架、俯仰支架及计算机；所述水平支架设置在底座上，俯仰支架通过转轴与水平支架连接，在俯仰支架上设置有相机、激光测距仪和线激光发射器，激光测距仪与线激光发射器位于同一垂线上，在激光测距仪的两侧设置两台所述的相机，所述计算机分别与相机、激光测距仪、线激光发射器电连接。优选的，所述水平支架的底部设置有水平分度盘。此设计的好处在于，当旋转水平支架时，通过水平分度盘能够清楚直观地观察到水平支架旋转的角度。优选的，所述转轴的一端连接有俯仰分度盘。此设计的好处在于，一方面可通过俯仰分度盘来拧动旋转俯仰支架，用于调节俯仰角度，另一方面可通过俯仰分度盘上的刻度值来准确观察调整俯仰角度。优选的，两台所述的相机对称设置在激光测距仪的两侧。利用上述的大型复杂曲面测量系统进行复杂曲面采样的方法，包括以下步骤，一、单一测量区域的数据采样及解算：(1)将被测物体外表面划分为n个测量区域，每一测量区域为一独立测站，测量系统放置在某一测量区域i的正前方，调整测量系统的位置，使测量系统中相机拍摄的边界位置覆盖该测量区域i；(2)在测量区域i的左上角确定测量的位置起始点及在测量区域i的右下角确定测量的位置终止点，启动测量系统并通过计算机程序进行控制，然后按如下步骤进行测量：①激光测距仪发射点激光到测量区域i，调节水平支架和俯仰支架使点激光垂直于测量区域i的表面，此时点激光在测量区域i表面的垂足作为该测站的基准位置点，以测量系统在该位置时的系统空间坐标系作为该测站的基准坐标系；②调节水平支架和俯仰支架使点激光射到位置起始点并获取该位置时测量系统的位姿坐标；再调节水平支架和俯仰支架使点激光射到位置终止点并获取该位置时测量系统的位姿坐标；③扫描测量：设置单站测量时测量系统的水平步距角和俯仰步距角，从位置起始点开始根据设置的水平步距角和俯仰步距角，按照“正向从左向右，反向从右向左”的顺序逐行扫描被测物外表面，扫描过程中，对于被测物的任意扫描位置点Qj，激光测距仪发射点激光到Qj，记录相应的激光测距距离Lj，同时记录水平支架和俯仰支架分别相对于基准位置点转过的角度φj和ωj；其中一台相机拍照，获得点激光照片Gj，关闭激光测距仪，打开线激光发射器发射线激光，两台相机同时拍照获得两张线激光照片LAj和LBj；然后关闭线激光发射器，打开激光测距仪，水平支架或俯仰支架转动一个步距角使点激光对准下一扫描位置点Qj+1位置进行扫描测量；依次对测量区域i的每一扫描位置点进行扫描测量，到位置终止点结束，获得相应扫描位置点的点激光照片与线激光照片；(3)对测量区域i扫描测量完成后，解算测量区域i的三维点阵数据：①初始化两台相机和激光测距仪点激光中心的元素，其中每台相机都有3个内方位元素和6个外方位元素：内方位元素包括像主点相对于影像中心的位置x0、y0以及镜头中心到影像面的焦距f，外方位元素包括3个用于描述镜头中心相对于系统空间坐标系位置的线元素XS，YS，ZS和3个用于描述影像面在摄影瞬间空中姿态的角元素ω、k，激光测距仪点激光中心在系统空间坐标系中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型复杂曲面测量系统，其特征在于，包括底座、水平支架、俯仰支架及计算机；所述水平支架设置在底座上，俯仰支架通过转轴与水平支架连接，在俯仰支架上设置有相机、激光测距仪和线激光发射器，激光测距仪与线激光发射器位于同一垂线上，在激光测距仪的两侧设置两台所述的相机，所述计算机分别与相机、激光测距仪、线激光发射器电连接。

【技术特征摘要】
1.一种大型复杂曲面测量系统，其特征在于，包括底座、水平支架、俯仰支架及计
算机；所述水平支架设置在底座上，俯仰支架通过转轴与水平支架连接，在俯仰支架上
设置有相机、激光测距仪和线激光发射器，激光测距仪与线激光发射器位于同一垂线上，
在激光测距仪的两侧设置两台所述的相机，所述计算机分别与相机、激光测距仪、线激
光发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学艺，吕永刚，王宁宁，张庆雪，韩文广，赵丹丹，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：新型
国别省市：山东;37